JPH03122533A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、Ｘ線検出装置、ファクシミリ装置等に使用さ
れる光検出装置に関し、更に詳しくはフォトダイオード
を主要構成要素とする光検出装置に関する。

［従来の技術］ 従来、例えばＸｔｌＣＴスキャナーに使用されるＸ線検
出装置としてシンチレータとフォトダイオードとを組合
わせたものが代表的に使用されている。シンチレータで
Ｘ線を赤外光又は可視光に変換したうえで、これをフォ
トダイオードで検出する。

第１０図及び第１１図は、従来のＸ線ＣＴスキャナー用
のｐｉｎ型フォトダイオードアレイを示す。

ガラス基板（２）上に帯状の共通電極（４）が設けられ
、これに沿って多数の個別電極（６）が１次元配置され
る。薩電極（４，６）はいずれもＣ「で構成される。各
個別電極（６）上から共通電極（４）上にかけて下から
順にｎ層（１０）、ｉ層（１１）及びｐ層（１２）から
なる非晶質Ｓｉ半導体層（１５）が設けられる。半導体
層（１５）上にはＩＴＯからなる透明導電膜（３０）が
形成され、この透明導電膜（３０）の端部が個別電極（
６）に接触する。これにより、半導体層（１５）を共通
電極（４）と透明導電膜（３０）とで挟んだ構造のｐｉ
ｎ型フォトダイオード素子が形成され、半導体層（１５
）の出力が共通電極（４）と個別電極（６）とを通して
引き出される。通常、透明導電膜（３０）上に更に透明
樹脂をコーティングして以上のフォトダイオード素子を
保護する。

［発明が解決しようとする課８Ｅ 第１２図は、以上に説明した従来のフォトダイオードア
レイ（４４）の１素子におけるバイアス打丁で測定を行
なった。１素子あたりの静電容量測定値は非常に大きく
、５５００ｐＦであった。

さて、フォトダイオード素子の要求特性としてＳＮ比が
大きいこと、放射感度が大きくしがもバラツキが小さい
こと、静電容量が小さいこと等が挙げられる。

ＳＮ比及び感度を大きくするには、前記のｐｉｎ型非型
置晶質Ｓｉ半導体層５）を採用し、ｎ層（１０）にａ−
Ｓｉ：Ｈ，ｉ層（１」）にａ−５ｉ；Ｈ。

ｐ層（１２）にａ−ＳｉＣ：Ｈをそれぞれ用いれば良い
（特開昭５７−９５６７及び電子材料９第４０頁　１９
８２　参照）。感度のバラツキは、半導体層（１５）及
び透明導電膜（３０）を均一に製造する技術に依存する
。

非晶質Ｓｉは、誘電率が結晶ＳＬにほぼ等しい。ところ
が、上記非晶質Ｓｉフォトダイオードは、非晶質材料を
採用しているために製造が容易である反面、半導体層（
１５）を通常０．１μｍ〜３μｍ程度の膜厚とするから
、１素子あたりの静電容量が前記のように非常に太き（
なる欠点があった。静電容量が大きければ、光を電気信
号に変換して読取る際にノイズの影響を大きく受けてＳ
Ｎ比が悪くなるだけでなく、応答が遅くなるのである。

さて、フォトダイオード１素子の静電容量Ｃは、Ｃ−ε
Ｓ／ｄ　（ここに、εは誘電率、Ｓは素子面積、ｄは膜
厚をそれぞれ表わす。）で求められる。したがって、静
電容量Ｃを小さくするためには、素子面積Ｓを小さくし
たり、膜厚ｄを大きくしたりすることが考えられる。と
ころが、素子面積Ｓを小さくすることは充電変換効率の
低下を招くので好ましくない。また、膜厚ｄ特にｉ層（
１１）の膜厚を大きくすると、素子に印加する逆バイア
ス電圧が小さい場合に十分な電界がキャリアにかからな
いために再結合、トラップ単位の影響を受けて電流感度
がばらつき、位置に応じた光電流を正確に検出できない
問題が生じる。非晶質Ｓｉではキャリアのμτ積（移動
度μと寿命τとの積）が小さくて、膜厚の大きいｉ層（
１１）をキャリアが通り抜けられないのである。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであって、フ
ォトダイオード素子の面積を小さくしたり、この素子を
構成する半導体層の膜厚を大きくしたりすることなく、
素子静電容量を小さくした光検出装置を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る光検出装置は、前記の目的を達成するため
にフォトダイオードと同一基板上にダイオードを設け、
両者を直列接続したことを特徴とする。フォトダイオー
ドに対してダイオードを逆方向に直列接続すれば良い。

ただし、ダイオードの漏れ電流がフォトダイオードに比
べて１桁以上大きい場合には、両者を同一方向に直列接
続しても良い。

逆バイアス時だけでなく順バイアス時にも電流感度を低
下させることなく静電容量を下げるためには、フォトダ
イオードに比べて電流立ち上がり電圧すなわちＶｆ値の
小さいダイオードを組合せる。

フォトダイオードとダイオードとはともに非品質Ｓｉ半
導体で構成することができ、この場合にはｐｉｎ型フォ
トダイオードとショットキー型ダイオードとを組合せれ
ば、ダイオードのＶｆ値がフォトダイオードより小さく
なって好都合である。

［作　用］ 本発明に係る光検出装置では、フォトダイオードの素子
面積とこれに直列接続するダイオードの素子面積との比
率を変更して素子静電容量をコントロールすることがで
き、静電容量の低減が可能である。この際、フォトダイ
オードに比べてＶｆ値の小さいダイオードを組合せれば
、逆バイアス時だけでなく順バイアス時にも電流感度を
低下させることなく静電容量が引下げられる。この意味
で、フォトダイオードとダイオードとの両者を非晶質Ｓ
ｉ半導体で構成する場合には、ｐｉｎ型フォトダイオー
ドとショットキー型ダイオードとを組合せる。

［実施例］ 以下、再びＸ線ＣＴスキャナー用のｐｉｎ型非晶質Ｓｉ
フォトダイオードアレイを取上げて、本発明の詳細な説
明する。

第１図及び第２図は、本発明の実施例に係るフォトダイ
オードアレイを示す。

０．５５ｍｍ厚のガラス基板（２）（例えばコニング社
製のホウケイ酸ガラス７０５９）上１：　１０００人の
Ｃｒ層をスパッタ蒸着し、これをフォトリソグラフィの
手法でバターニングして、帯状の共通電極（４）とこれ
に沿って１次元配列した多数の個別電極（６）とを形成
する。ただし、Ｃｒに代えてＴｉ、Ａｆｉ、Ｎｔ等の他
の金属を用いても良い。

次に、各個別電極（６）上から共通電極（４）上にかけ
て、下から順にｎ層、ｉ層及びｐ層からなる非晶質Ｓｉ
半導体層（１５，２５）を設ける。ｎ層はＰをドーピン
グしたａ−８ｉ：Ｈ膜であって、ＳｉＨＳＰＨ及びＨ２
からなる混合ガ３ スを高周波グロー放電により２５０℃で分解して、これ
を３００Ａ堆積する。この上のｉ層はドーピングしない
ａ−５ｉ：Ｈ膜であって、ＳｉＨ４ガスを高周波グロー
放電により２５０℃で分解して、これを約５００人堆積
する。この上のｐ層はＢをドーピングしたａ−８ｉＣ；
Ｈ膜であって、Ｓ　ｉＨ、Ｂ　　Ｈ、ＣＨ４及び４　　
　２　　６ Ｈ２からなる混合ガスを高周波グロー放電により２００
℃で分解して、これを１５０〜２００人堆積する。

ｐｉｎ各層の物性値は次のとおりである。

（１）　ｎ層（ａ−８ｉ　：　Ｈ） 禁制帯Ｅ　　　　−１，７５ｅＶ 　ｏｐｔ ３ 光照射時導電率σ、ｈ−１０／Ω・ｃｍ（２）ｉ層（ａ
−Ｓ　ｉ　：　Ｈ） 禁制帯Ｅ　　　　＝１，７５ｅＶ 　ｏｐｔ ４ 光照射時導電率σ、ｈ−１０／Ω・ｃｍ１０ 暗時導電率σ　−１０／Ω・ｃｍ （３）ｐ層（ａ−Ｓ　ｉ　Ｃ：　Ｈ） 禁制帯Ｅ　　　　−２，ＯｅＶ 　ｏｐｔ ３ 光照射時導電率σｐｈ−１０／Ω・ｃｍ次に、レジスト
パターンを使用しながらこの非晶質Ｓｉ半導体層をエツ
チングして、フォトダイオード部分ＰＤを構成する半導
体層（１５）とダイオード部分りを構成する半導体層（
２５）とに分離する。エツチングにはＣＦ４と０２との
混合ガスが使用可能である。フォトダイオード部分ＰＤ
の半導体層（１５）を構成するｎ層（１０）、ｉ層（１
１）及びｐ層（１２）は、共通電極（４）上において各
個別電極（８）に対向する位置に１次元配置される。ダ
イオード部分りの半導体層（２５）を構成するｎ層（２
０）、ｉ層（２１）及びｐ層（２２）は各個別電極（６
）上に配置される。

この上にＥＢ蒸着法により温度２００℃、到６ 違圧力１ｘｌＯＴｏｒｒ、Ｏ分圧５Ｘ１０−’Ｔ　Ｏｒ
ｒの条件下でＩＴＯを８００人蒸着した後、これを塩酸
、硝酸及び水の混合液でパターン化して透明導電膜（３
０）とする。このＩＴＯからなる透明導電膜（３０）は
、両生導体層（１５，２５）のｐ層（１２，２２）をつ
なぐように短冊状に形成されるが、従来とは違って端部
が個別電極（８）に接触することはない。更に透明導電
膜（３０）上に約２０００人の厚みのＣ「膜をスパッタ
蒸着して、ダイオード部分りの半導体層（２５）の上方
位置だけに金属電極（３２）を形成してこの半導体層（
２５）を遮光する。

以上の工程により、半導体層（１５）を共通電極（４）
と透明導電膜（３０）とで挟んだ構造のｐｉｎ型フォト
ダイオードＰＤと、半導体層（２５）を透明導電膜（３
０）及び金属電極（３２）と個別電極（６）とで挟んだ
構造のｐｉｎ型ダイオードＤとが形成されると同時に、
これらフォトダイオードＰＤとダイオードＤとが互いに
逆方向に直列接続される。この直列回路の出力は、共通
電極（４）と個別［！１（８）とを通して引き出される
。ただし、共通電極（４）及び個別電極（６）を外部接
続のために一部残して透明なエポキシ樹脂を約１０μｍ
コーティングし、これを熱硬化させて以上の画素子を保
護するが、図示を省略している。

なお、透明導電膜（３０）を構成するＩＴＯの膜厚を８
００人としたのは、ＩＴＯの屈折率が１゜９であり、こ
の下の半導体層（１５）の屈折率が３゜４であり、ＩＴ
Ｏ上にコーティングされる透明樹脂の屈折率が１．５で
あるため、８００Ａが入射波長５５０ｎｍに対してほぼ
無反射膜厚となるからである。

第３図は、以上のようにしてできた本発明の実施例に係
るフォトダイオードアレイ（４１）の１素子を示す等価
回路図である。

同図に示すように、共通電極（４）と個別電極（６）と
の間には、ｐｉｎ型フォトダイオードＰＤと、同じ（ｐ
ｉｎ型のダイオードＤとが互いに逆方向に直列接続され
ており、この直列回路に対して静電容量Ｃが並列接続さ
れている。この静電容量ＣはフォトダイオードＰＤの素
子面積とダイオードＤの素子面積との比率の変更によっ
て可変であり、静電容量Ｃの低減が可能である。

第４図は、このフォトダイオードアレイ（４１）の１素
子におけるバイアス電圧ＶＢに対する光電流■の感度特
性図である。ただし、前記従来例と同様に受光面積を０
．２５　ｃ　ｍ２として螢光打丁で測定を行なった。１
素子あたりの静電容量測定値は、６００ｐＦまで大幅に
低下する。

しかも、本実施例では第１２図に示す従来の特性に比べ
て逆バイアス特性にほとんど差がない。

つまり、フォトダイオードＰＤに対して逆バイアス方向
で光電流■が低下することなく、静電容量Ｃが低下する
。ただし、フォトダイオードＰＤ及びダイオードＤのＶ
ｆ値は等しく、電流０．３μ八時にいずれも０．５５Ｖ
であった。

さて、フォトダイオードＰＤに比べてＶｆ値の小さいダ
イオードＤを組合せれば、逆バイアス時だけでなく順バ
イアス時にも電流感度を低下させることなく静電容量が
引下げられる。第５図及び第６図を用いてこの理由を説
明する。

第５図は、Ｖｆ値の異なるフォトダイオードＰＤとダイ
オードＤとを組合せた場合のフォトダイオードアレイ素
子の暗時電流−電圧特性を示す。この素子に光を照射す
ると、第６図のように電流−電圧特性が変化する。ただ
し、両図においてフォトダイオードＰＤのみの場合の特
性とダイオードＤのみの場合の特性とは仮想線で示す。

第６図に示すように、フォトダイオードＰＤの電流零点
が光起電力によりａ点にシフトし、逆にダイオードＤの
電圧降下ΔＶが起こり、素子全体の電気特性は第６図中
のｆ−ｃ−ｂ−ａ−ｄ−ｅを通る曲線となる。しかも、
電圧降下ΔＶはフォトダイオードＰＤとダイオードＤと
のＶｆ値の差が大きいほど小さくなる。したがって、フ
ォトダイオードＰＤを非晶質Ｓｉで構成したｐｉｎ型と
する場合には、これよりＶｆ値の小さいショットキー型
の非晶質Ｓｉダイオードを組合せるのが好ましい。結晶
型のＳｉダイオードを組合せても良い。

第７図は、ｐｉｎ型の非晶質ＳｉフォトダイオードＰＤ
にショットキー型の非晶質ＳｉダイオードＤを組合せた
フォトダイオードアレイの例を示す。

このフォトダイオードアレイ（４２）が第１図及び第２
図に基づいて説明した前記のフォトダイオードアレイ（
４１）と異なるのは、ダイオード部分りの透明導電膜（
３０）とｐ層（２１）とをエツチングで除去したうえで
、約２０００人の厚みのＣｒ膜をスパッタ蒸着して透明
導電膜（３０）に導通する金属電極（３２）を形成した
点である。

これにより、半導体層（１５）を共通電極（４）と透明
導電膜（３０）とで挟んだ構造のｐｉｎ型フォトダイオ
ードＰＤと、ｎ層（２０）とｉ層（２１）とからなる半
導体層（２５）を金属電極（３２）と個別電極（６）と
で挟んだ構造のショットキー型ダイオードＤとが形成さ
れると同時に、これらフォトダイオードＰＤとダイオー
ドＤとが互いに逆方向に直列接続される。

第８図は、このフォトダイオードアレイ（４２）の１素
子におけるバイアス電圧ＶＢに対する光電流ｌの感度特
性図である。ただし、前記と同様に受光面積を０．　２
５　ｃ　ｍ２として螢光打丁で測定を行なった。１素子
あたりの静電容量測定値は、７００９Ｆまで大幅に低下
する。しかも、本実施例では第１２図に示す従来の特性
に比べて逆バイアス特性だけでなく順バイアス特性でも
ほとんど差がない。つまり、フォトダイオードＰＤに対
して逆バイアス及び順バイアスの双方向で光電流Ｉが低
下することなく、静電容量Ｃが大幅に低下する。ただし
、フォトダイオードＰＤ及びダイオードＤのＶｆ値は、
電流０．３μＡ時ニソレぞれ０．５５Ｖ及び０．ＩＶで
あった。

第９図も、ｐｉｎ型の非晶質ＳｉフォトダイオードＰＤ
にショットキー型の非晶質ＳｉダイオードＤを組合せた
フォトダイオードアレイの例を示す。

このフォトダイオードアレイ（４３）が第７図に基づい
て説明した前記のフォトダイオードアレイ（４２）と異
なるのは、フォトダイオード部分ＰＤの半導体層（１５
）とダイオード部分りの半導体層（２５）との間をＳ　
Ｉ　Ｏ２からなる絶縁部（３４）で隔絶したうえで透明
導電膜（３０）に導通する金属電極（３２）を形成した
点である。

このフォトダイオードアレイ（４３）の感度特性は第８
図に示したものとほぼ同一であって、フォトダイオード
ＰＤ及びダイオードＤのＶｆ値は、電流０．３μＡ時に
それぞれ０．５５Ｖ及び０．１ｖであった。静電容量測
定値は７００９Ｆであった。つまり、本実施例でもフォ
トダイオードＰＤに対して逆バイアス及び順バイアスの
双方向で光電流Ｉが低下することな（、静電容量Ｃが大
幅に低下する。

なお、以上に説明した実施例ではいずれもフォトダイオ
ードＰＤとダイオードＤとのアノードどおしを接続して
いるが、カソードどおしを接続した直列回路も構成可能
である。また、ダイオードＤの漏れ電流がフォトダイオ
ードＰＤに比べて１桁以上大きい場合には、両者を同一
方向に直列接続してもフォトダイオードＰＤの電流特性
を変えずに静電容量だけを低減することができる。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係る光検出装置は、フ
ォトダイオードと同一基板上にダイオードを一体的に設
け、両者を直列接続したものであって、フォトダイオー
ド素子の面積を小さくしたり、この素子を構成する半導
体層の膜厚を大きくしたりすることなく、またフォトダ
イオードに対して少なくとも逆バイアス方向で光電流を
低下させることなく、素子静電容量を小さくすることが
できる。したがって、本発明によれば、信号読取り時の
ノイズを低減してＳＮ比を向上させることができるだけ
でなく、応答が速くなる効果がある。しかも、フォトダ
イオードの素子面積とこれに直列接続するダイオードの
素子面積との比率を変更して素子静電容量をコントロー
ルすることができ、任意の静電容量を得ることができる
という効果もある。

フォトダイオードに比べてＶｆ値の小さいダイオードを
組合せれば、逆バイアス時だけでなく順バイアス時にも
電流感度を低下させることなく素子静電容量を下げるこ
とができる。また、フォトダイオードとダイオードとを
ともに非晶質Ｓｉ半導体で構成すれば、パターン化が容
易になって製造コストを低減することができる。

このようにフォトダイオードとダイオードとの両者を非
晶質Ｓｉ半導体で構成する場合には、ｐｉｎ型フォトダ
イオードとショットキー型ダイオードとを組合せれば、
ダイオードのＶｆ値がフォトダイオードより小さくなっ
て好都合である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係るフォトダイオードアレ
イの平面図、 第２図は、前図の■−■断面図、 第３図は、前２図のフォトダイオードアレイの１素子を
示す等価回路図、 第４図は、第１図及び第２図のフォトダイオードアレイ
の１素子におけるバイアス電圧に対する光電流の感度特
性図、 第５図は、Ｖｆ値の異なるフォトダイオードとダイオー
ドとを組合せた場合のフォトダイオードアレイ素子に関
する暗時電流−電圧特性の説明図、 第６図は、光照射時の前図と同様の図、第７図は、本発
明の他の実施例に係るフォトダイオードアレイの断面図
、 第８図は、前図のフォトダイオードアレイの１素子にお
けるバイアス電圧に対する光電流の感度特性図、 第９図は、本発明の更に他の実施例に係るフォトダイオ
ードアレイの断面図、 第１０図は、従来のフォトダイオードアレイの平面図、 第１１図は、前図の℃−℃断面図、 第１２図は、前２図のフォトダイオードアレイの１素子
におけるバイアス電圧に対する光電流の感度特性図であ
る。 符号の説明 ２・・・ガラス基板、４・・・共通電極、６・・・個別
電極、ｌＯ・・・ｎ層、１１・・・ｉ層、１２・・・ｐ
層、１５・・・半導体層、２０・・・ｎ層、２１・・・
ｉ層、２２・・・ｐ層、２５・・・半導体層、３０・・
・透明導電膜、３２・・・金属電極、３４・・・絶縁部
、４１．４２，４３．４４・・・フォトダイオードアレ
イ、Ｄ・・・ダイオード、ＦＤ・・・フォトダイオード
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、フォトダイオードと同一基板上にダイオードを設け
   、両者を直列接続したことを特徴とする光検出装置。 ２、フォトダイオードに対してダイオードを逆方向に接
   続したことを特徴とする請求項１記載の光検出装置。 ３、フォトダイオードに比べてダイオードの方が電流立
   ち上がり電圧が小さいことを特徴とする請求項１又は２
   に記載の光検出装置。 ４、フォトダイオードとダイオードとがともに非晶質Ｓ
   ｉ半導体からなることを特徴とする請求項１〜３のいず
   れか１項に記載の光検出装置。 ５、フォトダイオードがｐｉｎ型であり、ダイオードが
   ショットキー型であることを特徴とする請求項４記載の
   光検出装置。